Высокоэнергетические методы синтеза сверхвысокотемпературных керамических материалов

Анализ опубликованных работ по методам синтеза высокотемпературных материалов определил одно из перспективных направлений в исследовании процессов получения высокоплотных карбидов гафния и тантала путем самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) и высоковольтной электроимпульсной консолидации (ВЭК). В результате исследований процесса ВЭК различных порошковых материалов установлено существенное влияние на процесс консолидации зависимости удельного электрического сопротивления (электропроводности) порошка от приложенного давления. Начальная электропроводность шихты изменяется на порядки величин в зависимости от приложенного давления. Оптимальные значения основных параметров процесса высоковольтной консолидации (амплитуды импульса тока и внешнего давления) существенным образом зависят от удельного электрического сопротивления порошковой заготовки. При прохождении импульса электрического тока через порошковый материал основное выделение джоулева тепла происходит в межчастичных контактах. Нагрев основной массы порошкового материала происходит за счет теплоотвода от межчастичных контактов путем механизма теплопроводности. Внешнее механическое давление, действующее на порошковый материал, кардинально изменяет состояние межчастичных контактов, увеличивая их площадь, частично разрушая поверхностные пленки, вызывая интенсивную пластическую деформацию в окрестности контактов. Это приводит к нелинейной зависимости удельного сопротивления (проводимости) порошковых материалов от приложенного к ним давления. Электрическое сопротивление порошка определяется природой материала, гранулометрическим составом, размером, структурой и состоянием поверхности межчастичных контактов. Поверхность частиц большинства порошковых материалов покрыта оксидными или адсорбционными пленками, оказывающими сильное влияние на их электропроводящие свойства. Изменение свойств поверхности частиц порошка существенно влияет на его электропроводность (удельное сопротивление). Это оказывает существенное влияние на тепловые процессы в консолидируемых порошковых материалах, на формирование структуры и свойства получаемых материалов. В связи с этим необходимо провести анализ электро-тепловых процессов, протекающих на контактах между частицами порошка во время воздействия высоковольтного импульса тока на консолидируемый порошковый материал, находящийся под внешним механическим давлением со стороны электродов-пуансонов в закрытой пресс-форме. В процессе высоковольтной консолидации на порошковый материал помимо интенсивного высоковольтного импульса тока одновременно воздействует высокое механическое давление со стороны электродов пуансонов. В результате такого воздействия происходит высокоскоростное уплотнение порошкового материала путем интенсивной пластической деформации, которая имеет вид волны уплотнения, распространяющейся от пуансонов в порошковый материал. Структура и свойства образцов консолидированных порошковых материалов определяются параметрами высоковольтного импульса тока и величиной механического давления, приложенного к консолидируемому порошковому образцу. Совмещение процессов СВС и высокотемпературной газовой экструзии позволяет осуществлять синтез в условиях высоких давлений (несколько тысяч атмосфер) и степеней деформаций, что перспективно с точки зрения управления структурой и свойствами при получении длинномерных изделий. Новые экспериментальные данные о тепловой структуре высокотемпературных реакций представляют интерес для получения фундаментальных знаний о механизме структуро- и фазообразования в волне горения перспективных энергетических систем. Объектом исследования являются керамические материалы на основе твердых растворов высокотемпературных карбидов (TaC, HfC, ZrC, NbC, TiC), боридов (HfB2, TaB2, ZrB2, NbB2, TiB2,), силицидов (MoSi2, TaSi2, ZrSi2) металлов, композиционных материалов с добавлением SiC, система NiAl, система Ti-Al-Si, сочетающие высокую температуру плавления с высокими прочностными свойствами и износостойкостью. Цель работы – методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) и электроимпульсных методов консолидации порошков создать сверхвысокотемпературные керамические материалы на основе твердых растворов высокотемпературных карбидов, боридов, силицидов металлов, композиционных материалов с добавлением карбида кремния, сочетающих сверхвысокую температуру плавления с высокими прочностными свойствами и износостойкостью в условиях агрессивных внешних воздействий. В процессе работы проводились экспериментальные исследования процессов СВС карбида тантала и карбида гафния. Для СВС порошка монокарбида тантала использовался порошок танталовый мелкодисперсный марки ТаП МВ5Б, сажа П804 и энергетическая добавка. Синтезирован монокарбид тантала с низким содержанием полукарбида (Ta2C) и следами оксида (Ta2O5). Карбид гафния получен методом СВС из исходного порошка гафния марки ГФМ-1 и сажи П804, исследован фазовый состав и гранулометрический состав полученного порошка, а также гранулометрический состав исходного порошка Hf. Теоретически исследованы электротепловые процессы при высоковольтной электроимпульсной консолидации порошковых материалов на контактах между частицами порошка и в макромасштабе всего консолидированного образца. Установлен критерий, определяющий предельное значение плотности тока, превышение которого приводит к электрическому взрыву межчастичных контактов в консолидируемом материале. Экспериментально показана возможность реализации высоковольтной электроимпульсной консолидации тяжелых сплавов на основе вольфрама: 90W-7Ni-3Fe и 95W-3Ni-2Cu. Высоковольтная консолидация способствует поддержанию исходной мелкозернистой структуры, более равномерному распределению связующего элемента и практически полному отсутствию пористости. Испытания на сжатие консолидированных образцов тяжелых сплавов на основе вольфрама показали, что все испытанные образцы обладают высокой пластичностью и выдерживают сжимающее напряжение свыше 1600 МПа без разрушения при комнатной температуре. В результате исследования впервые была создана экспериментальная установка, реализующая технологию ударной электроимпульсной консолидации порошковых материалов. Проведены тестовые испытания установки ударной электроимпульсной консолидации на примере промышленного железного порошка. Методом высокотемпературной газовой экструзии получены образцы из реакционноспособной порошковой смеси никеля и алюминия в стальной оболочке при локальном нагреве при различных температурах (600–780 C) и давлениях газа (200–480 МПа). Результаты исследования показали, что наибольшая доля интерметаллидов NiAl и Ni3Al образуется при температуре начала газовой экструзии 780° С и давлении газа в камере 200 МПа. При температуре начала экструзии, которая меньше температуры плавления алюминия, остаются большие доли непрореагировавшего алюминия и никеля. Переходная зона из интерметаллидов системы Al-Fe по всей длине стержня обнаружена только в образце, полученном при температуре нагрева 780° С, при этом ее толщина была 10 мкм. Наивысшая средняя твердость сердечника обнаружена в образце с наибольшей долей целевого продукта, что является преимуществом для конструкционных материалов. Впервые методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза получен легкий интерметаллидный сплав в системе Ti-Al-Si с химическим составом (масс. %): 37Ti-50Al-13Si, 74,1Ti-6,3Al-19,6Si и 41,53Ti-16,71Al-41,76Si. По проведённым СВС- экспериментам из состава исходной смеси состава 74,1 масс. % Ti, 6,3 масс. % Al и 19,6 масс. % Si был получен однофазный продукт состава Ti5Al0.75Si2.25.